Alumiinioksidin Youngin moduuli

Alumiinioksidin Youngin moduuli on olennainen materiaaliominaisuus, jonka avulla insinöörit voivat suunnitella ulkoista rasitusta kestäviä rakenteita. Sen määrittämiseksi altistetaan näyte asteittain kasvaville vetokuormituksille ja mitataan näytteen voima-siirtymiskäyttäytyminen.

Kuusikulmainen alumiinioksidi on yksi yleisimmin käytetyistä teknisistä keraameista, koska sen Youngin moduuli on korkea ja lämpölaajenemisnopeus alhainen, ja se on erittäin kestävä kaikissa ympäristöolosuhteissa ja kestää mekaanista rasitusta.

Tiheys

Alumiinioksidi on poikkeuksellisen luja materiaali, jolla on erittäin korkea Youngin moduuli ja joka kestää mekaanista rasitusta, joten se soveltuu muiden materiaalien suojaamiseen niitä vahingoittavilta tärinöiltä ja iskuilta. Valitettavasti sen tiheys ei kuitenkaan ole yhtä suuri kuin teräksen ja titaanin, mikä rajoittaa sen käyttökelpoisuutta sovelluksissa, joissa painolla on olennainen merkitys; lisäksi alhaisempi tiheys lisää kustannuksia kilpaileviin metalleihin verrattuna.

Alumiinioksidin tiheys voi vaihdella 2,1-3,5 g cm-3 riippuen sen kiderakenteesta ja faasista, useimmiten heksagonaalisesta alfa-faasista, jolla on korkea Youngin moduuli, alhainen lämpölaajeneminen ja erinomaiset tulenkestävyysominaisuudet. Lisäksi alfa-faasialumiinioksidilla on hyvät sähköiset ominaisuudet sekä kemialliset kestävyysominaisuudet, minkä vuoksi se soveltuu moniin käyttötarkoituksiin, kuten lujuuskohteisiin.

Molekyylidynaamiset simulaatiot ovat osoittaneet, että huokoisen alumiinioksidin kimmomoduuli riippuu sen paikallisesta atomikonfiguraatiosta, joka määräytyy parien säteittäisten jakaumafunktioiden, sidoskulmajakaumien ja simpleksitilastojen perusteella. Lisäksi näiden ominaisuuksien avulla voidaan saada matemaattisia lausekkeita alumiinioksidin tiheydelle.

Yksi luotettavimmista Youngin moduulin mittausmenetelmistä on vetokoe. Tässä menetelmässä näyte altistetaan asteittain kasvavalle jännitykselle, kunnes sen kimmoraja on saavutettu; koko ajan mitataan voimaa ja taipumaa, ja ne piirretään jännitys-muodonmuutos-käyrälle, jonka kaltevuuden avulla voidaan laskea Youngin moduuli.

Instrumentoitua nanoindentaatiota, osoittimen kiertokokeita ja taipumamittauksia voidaan myös käyttää alumiinioksidimateriaalien Youngin moduulin tarkkaan arviointiin, koska ne tuottavat tuloksia vahingoittamatta näytteitä; nämä tekniikat ovat erityisen hyödyllisiä huokoisten materiaalien arvioinnissa, joissa huokoisuus ja Youngin moduulin arvot voivat vaihdella huomattavasti näytteestä toiseen.

Poissonin luku

Poissonin luku mittaa, kuinka paljon materiaali laajenee muodonmuutoksessa, ja se on olennainen syöttötieto äärellisten elementtien malleissa, jotka edellyttävät tarkkaa rasitusmittausta. Suoraan näytteisiin kiinnitetyt venymämittarit tai kosketuslaajennusmittarit, joissa on useita yksi- tai kaksiakselisia venymäantureita, sekä kosketuksettomat laserlaajennusmittarit voivat kaikki auttaa tämän mittauksen suorittamisessa.

Poissonin luku mittaa sitä, missä määrin materiaalit laajenevat puristettaessa yhteen suuntaan, kun ne taivutetaan pyöreiksi; tällöin niiden keskikohta voi näyttää paljon paksummalta kuin niiden reunat. Lisäksi Poissonin luku toimii tehokkaana mittarina materiaalien suuntauslujuudelle, mikä voi osoittautua korvaamattomaksi lentokoneiden tai avaruusalusten rakenteita suunniteltaessa.

Alumiinioksidin korkea Youngin moduuli tekee siitä erinomaisen materiaalivalinnan moniin teknisiin sovelluksiin, kuten jäykkyyden kestävyyteen ilman murtumista ja iskuaaltojen vaimentamiseen mekaanisten järjestelmien vaurioiden vähentämiseksi. Lisäksi alumiinioksidin hydrotermisen vanhenemisen kestävyys ja alhainen murtumisenergia tekevät siitä erinomaisen materiaalivalinnan myös lääketieteellisissä sovelluksissa.

Alumiinioksidin korkea Youngin moduuli tarkoittaa kuitenkin myös, että se ei ole yhtä plastinen kuin muut materiaalit ja murtuu puristus- tai vetokuormituksessa lähes välittömästi, minkä vuoksi alumiinioksidi ei sovellu plastisuutta vaativiin sovelluksiin, kuten rakenneosiin tai leikkaustyökaluihin.

Insinöörit tutkivat erilaisia tapoja lisätä alumiinioksidin Youngin moduulia sen suorituskyvyn optimoimiseksi. Yksi tekniikka on tiheyden lisääminen lisäämällä piidioksidia tai zirkoniumia. Toisessa lähestymistavassa käytetään uutta synteesiprosessia, jolla tuotetaan synteettistä g-alumiinia, jonka huokoisuus on pienempi ja Youngin moduuli suurempi kuin sen perinteisillä sintraustekniikoilla, ja joka osoittaa parempaa kestävyyttä lämpöshokkivaurioita vastaan kuin perinteiset menetelmät, kuten perinteiset sintraustekniikat. Lisäksi alumiinioksidin kimmoisat ominaisuudet voidaan karakterisoida tarkasti käyttämällä Sonelastic Systemsin kaltaisia rikkomattomia testausmenetelmiä, joilla voidaan karakterisoida kimmoisat ominaisuudet tarkasti sekä huoneenlämmössä että alhaisissa tai korkeissa lämpötiloissa.

Lämpötila

Alumiinioksidin Youngin moduuli on korvaamaton mittari sen lujuudelle ja muodonmuutoskestävyydelle sekä sille, kuinka paljon energiaa se pystyy absorboimaan ennen murtumista. Insinöörit käyttävät tätä arvoa laajalti kehitettäessä vahvempia mutta kevyempiä materiaaleja, sillä korkeampi Youngin moduuli tarkoittaa jäykempiä materiaaliominaisuuksia.

Alumiinioksidin Youngin moduuli muuttuu lämpötilan myötä, mikä johtuu tiheyden muutoksista, jotka vaikuttavat sen elastisiin ominaisuuksiin; lisäksi mikrorakenne ja kemiallinen koostumus vaikuttavat myös tähän ominaisuuksien osa-alueeseen.

Alumiinioksidin Youngin moduuliin voi vaikuttaa myös sen puhtausaste. Korkeampi puhtausaste lisää tiheyttä ja parantaa materiaalin mekaanisia ominaisuuksia, mikä vaikuttaa merkittävästi Youngin moduuliin.

Youngin moduuli kasvaa keramiikan puhtausasteen kasvaessa, mutta sen vaikutus vähenee korkeissa lämpötiloissa, minkä vuoksi ei-kiteisiä materiaaleja olisi käytettävä mieluummin, kun tarvitaan korkean lämpötilan kestävyyttä.

Alumiinioksidilla on korkea Youngin moduuli, mikä tekee siitä erinomaisen teknisen materiaalin sovelluksiin, joissa vaaditaan suurta lämpöshokkien kestävyyttä. Erityisesti kuusikulmainen alumiinioksidi kestää äärimmäisiä ympäristöolosuhteita ja sen sulamispiste on matala, minkä vuoksi se soveltuu erityisen hyvin ilmailu- ja avaruustekniikan sovelluksiin.

Alumiinijauheen Youngin moduuliin voivat vaikuttaa myös lämpötila, seoksen koostumus ja kiderakenne. Esimerkiksi seosaineiden lisääminen voi muuttaa sen molekyylien välistä sidosjärjestelyä. Siksi on ratkaisevan tärkeää, että nämä tekijät ymmärretään ennen kuin tätä materiaalia käytetään johonkin tiettyyn sovellukseen.

Nanoindentaatiot ovat yksi tapa mitata alumiinioksidijauheen Youngin moduulia. Menetelmä vaatii pienempiä näytekokoja ja tuottaa jakaumakäyriä useammin kuin perinteiset vetokokeet.

Impulssiherätystä käytettiin alumiinioksidin Youngin moduulin ja vaimennuksen lämpötilariippuvuuden tutkimiseen seuraamalla muutoksia osittain sintratuissa näytteissä, joita lämmitettiin huoneenlämpötilasta 1600 celsiusasteeseen. Tulokset osoittivat, että sen Youngin moduuli kasvoi tasaisesti lämpötilan noustessa ihanteellisen pääkäyrän mukaisesti.

Ultraäänimittaus

Alumiinioksidilla on korkea Youngin moduuli, joten se soveltuu lukuisiin sovelluksiin. Valitettavasti sen hauras luonne kuitenkin estää sen käytön plastisuutta vaativissa sovelluksissa, kuten rakenneosissa ja leikkaustyökaluissa; lisäksi se pettää puristus- ja vetokuormituksessa välittömästi sen sijaan, että se muodonmuutos tapahtuisi vähitellen ajan myötä.

On luotu ultraäänipohjainen rikkomukseton menetelmä metalliseosten kimmovakioiden mittaamiseksi. Digitaalisen korrelaatiotekniikan avulla on kehitetty uusi rikkomukseton tapa saada Poissonin luku ja kimmomoduuli näytteiden värähtelyn avulla - tämä vaatii huomattavasti pienempiä näytekokoja kuin perinteiset vetokokeet, mutta tuottaa jakaumakäyriä, joissa on enemmän säännönmukaisuuksia kuin muissa tekniikoissa.

Alumiinioksidin Youngin moduuli määräytyy sen mukaan, miten atomien väliset voimat vaihtelevat etäisyyden mukaan. Lisäksi alumiinioksidin puhtausasteella on olennainen merkitys; tutkimukset osoittavat, että Youngin moduuli korreloi lineaarisesti puhtausasteen kanssa (ks. kuva 4.8).

Tässä tutkimuksessa alumiinioksidin Youngin moduuli määritettiin käyttämällä moodikonvertoitua ultraääntä akustisessa pyyhkäisy-mikroskoopissa (SAM). Alumiininäytteen sisällä olevat pitkittäis- ja leikkausaallot kaapattiin aaltonopeuslaskelmien laskemiseksi sekä kimmovakion määrittämiseksi tälle materiaalille. Tätä erittäin herkkää mutta tarkkaa tekniikkaa voidaan soveltaa eri ympäristön lämpötiloissa materiaalin ominaisuuksien arvioimiseksi.

Lämpötila, koostumus ja kiderakenne vaikuttavat kaikki alumiinioksidin Youngin moduuliin; lisäksi sen elastiset ominaisuudet riippuvat muista materiaaleista, kuten piikarbidihiukkasista (SiC), jotka nostavat Youngin moduulin yli kymmenkertaiseksi. Kokeellisia tietoja verrattiin simulointituloksiin ja teoreettisiin malleihin, jotta voitiin määrittää alumiinioksidin luontainen Youngin moduulin arvo.

Korkean alumiinioksidipitoisuuden omaavien valukappaleiden kimmomoduuleja tutkittiin tuhoutumatta huoneenlämpötilasta 1600 celsiusasteeseen, jolloin seurattiin Youngin moduulin ja Poissonin luvun muutoksia lämpötilan noustessa. Lisäkokeisiin sisältyi kvantitatiivista röntgendiffraktiota, dilatometriaa ja pinta-alan mittauksia näiden tutkimusten täydentämiseksi. Tulokset osoittavat, että Poissonin luku pienenee asteittain lämpötilan noustessa, mutta nousee jyrkästi, kun alkuperäinen polttolämpötila on saavutettu, mikä johtuu sintrauksen jatkumisesta, joka johtaa Youngin moduulin äkilliseen kasvuun.

fiFinnish
Selaa alkuun